1磁控濺射技術(shù)輝光放電等離子技術(shù)與磁控濺射鍍膜1.Introduction

2.Scientific

Issues3.Engineering

Issues

4.Conclusions

薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系2023/7/202二、發(fā)展概況1842年格洛夫（Grove）在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了陰極濺射現(xiàn)象。1877年將二級(jí)濺射技術(shù)用于鍍制反射鏡。二十世紀(jì)三十年代采用二極濺射技術(shù)鍍制金膜作為導(dǎo)電底層。以后出現(xiàn)射頻濺射、三極濺射和磁控濺射。1936年和1940年P(guān)enning相繼發(fā)明圓柱和圓筒磁控濺射陰極。--Penning放電、Penning規(guī)Penning離子源相繼出現(xiàn)1963年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室采用10米的連續(xù)濺射鍍膜裝置鍍制集成電路的鉭膜，首次實(shí)現(xiàn)了濺射鍍膜產(chǎn)業(yè)化。3Introduction濺射（Sputtering）：荷能離子轟擊固體材料表面，使該固體材料的原子被濺射出，并穿越真空環(huán)境，逐個(gè)地沉積到位于該固體材料對(duì)面的基片上形成薄膜；靶（Target）：也稱為陰極，即上述固體材料，接-100~-1000V的電壓；基片（Substrate）:也稱為陽(yáng)極，可接地、正偏置、負(fù)偏置、加熱或冷卻；濺射是一種物理氣相沉積（PVD,physicalvapor-deposition）：過(guò)程。2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系4Introduction先將系統(tǒng)抽至壓強(qiáng)小于5×10-3

Pa的真空，再充入Ar至5×10-1Pa左右，并在陰極加上負(fù)電壓，使Ar電離成Ar+，形成等離子體，Ar+在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下迅速獲得巨大能量，并加速向陰極靶轟擊，Ar+即上述荷能離子；Ar電離成Ar+的過(guò)程，使兩電極之間形成輝光放電等離子體（Glow-discharge

plasma）；DC濺射只能沉積金屬膜；RF濺射既可以沉積金屬膜，也可以沉積絕緣膜；2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系5Introduction輝光放電等離子體不但可以濺射沉積(deposition)薄膜，反之，也可以用以刻蝕（etching）去除薄膜；微電子技術(shù)的發(fā)展是輝光放電等離子技術(shù)發(fā)展的最大驅(qū)動(dòng)力（約有1/3的集成電路工藝步驟涉及到輝光放電等離子技術(shù)）；輝光放電等離子技術(shù)在光學(xué)、生物學(xué)、信息記錄、航天航空等領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用；2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系6濺射鍍膜的特點(diǎn)一、濺射鍍膜的優(yōu)點(diǎn)(1/4)1.任何物質(zhì)均可以濺射，尤其是高熔點(diǎn)、低蒸氣壓元素和化合物。

不論是金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、化合物和混合物等，只要是固體，不論是塊狀、粒狀的物質(zhì)都可以作為靶材。由于濺射氧化物等絕緣材料和合金時(shí)，幾乎不發(fā)生分解和分餾，所以可用于制備與靶材料組分相近的薄膜和組分均勻的合金膜，乃至成分復(fù)雜的超導(dǎo)薄膜。此外，采用反應(yīng)濺射法還可制得與靶材完全不同的化合物薄膜，如氧化物、氮化物、碳化物和硅化物等。

2.濺射膜與基板之間的附著性好。（1）濺射原子的能量比蒸發(fā)原子能量高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，高能粒子淀積在基板上進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生較高的熱能，增強(qiáng)了濺射原子與基板的附著力。（2）一部分高能量的濺射原子將產(chǎn)生不同程度的注入現(xiàn)象，在基板上形成一層濺射原子與基板材料原子相互“混溶”的所謂的擴(kuò)散層。（3）在濺射粒子的轟擊過(guò)程中，基板始終處于等離子區(qū)中被清洗和激活，清除了附著不牢的淀積原子，凈化且活化基板表面。因此，使得濺射膜層與基板的附著力大大增強(qiáng)。一.濺射鍍膜的優(yōu)點(diǎn)(2/4)一.濺射鍍膜的優(yōu)點(diǎn)(3/4)3.濺射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高。因?yàn)樵跒R射鍍膜過(guò)程中，不存在真空蒸鍍時(shí)無(wú)法避免的蒸發(fā)源污染現(xiàn)象。一.濺射鍍膜的優(yōu)點(diǎn)(4/4)4.膜厚可控性和重復(fù)性好。由于濺射鍍膜時(shí)可通過(guò)控制靶電流來(lái)控制膜厚。所以，濺射鍍膜的膜厚可控性和多次濺射的膜厚再現(xiàn)性好，能夠有效地鍍制預(yù)定厚度的薄膜。5.濺射鍍膜還可以在較大面積上獲得厚度均勻的薄膜。Introduction視頻演示輝光放電等離子技術(shù)1.Introduction

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4.Conclusions

薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系2023/7/2012等離子體等離子體(Plasmas)：該專有名詞是IrvingLangmuir在1929年用來(lái)描述大電流真空管中的離化氣體而發(fā)明的。等離子體即離子化的氣體，因其具有特殊性而被認(rèn)為是物體除固相、液相、氣相之外的第四相。在人們生活中，等離子體被認(rèn)為是稀有物相；而在全宇宙中，99%的物體以等離子形式存在；2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系13湯森放電（Townsend

Discharge）等離子體是導(dǎo)電的，而普通的氣體是不導(dǎo)電的，于是研究等離子體首先要解決的一個(gè)問(wèn)題是：究竟是什么機(jī)理使得最初絕緣的氣體轉(zhuǎn)化成可以導(dǎo)電的媒質(zhì)？與絕緣固體的介質(zhì)擊穿電壓類似（在絕緣固體兩端的電壓增加到一定程度，該絕緣固體會(huì)被擊穿并開(kāi)始導(dǎo)電）答案：湯森放電（TownsendDischarge）Status1：加電場(chǎng)陰極附近的游離電子開(kāi)始朝陽(yáng)極定向運(yùn)動(dòng)，形成初始電流i0；

Status2：這些定向運(yùn)動(dòng)的電子被加速并積聚能量，在奔向陽(yáng)極的途中可能會(huì)與氣體分子A碰撞，若電子的能量足夠大：

2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系14湯森放電（Townsend

Discharge）Status1：加電場(chǎng)陰極附近的游離電子開(kāi)始朝陽(yáng)極定向運(yùn)動(dòng)，形成初始電流i0；

Status2：這些定向運(yùn)動(dòng)的電子被加速并積聚能量，在奔向陽(yáng)極的圖中可能會(huì)與氣體分子A碰撞，若電子的能量足夠大：

Status3:

增加的電子積聚能量后也可產(chǎn)生類似的碰撞獲得更多的電子和A+；同時(shí)，A+轟擊陰極產(chǎn)生二次電子電流急劇增加（雪崩），最終擊穿氣體導(dǎo)電

2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系15湯森放電（Townsend

Discharge）為了能擊穿氣體：電極間的距離d應(yīng)足夠大使電子有足夠的加速時(shí)間來(lái)獲得足夠的能量電極應(yīng)足夠?qū)挿乐勾罅康碾娮雍虯+逃離兩電極之件的區(qū)域Townsend方程i：放電電流；i0：初始電流；α:Townsend離化系數(shù)，單位長(zhǎng)度離化產(chǎn)生的可能性；γe：Townsend二次電子發(fā)射系數(shù)，陰極每入射一個(gè)A+產(chǎn)生的二次電子數(shù)分母為零放電電流無(wú)窮大擊穿

VB為擊穿電壓

A、B為常數(shù)2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系16帕邢定律(Paschen’sLaw)Pd低端：碰撞太少；Pd高端：碰撞太頻繁，導(dǎo)致電子不能積聚足夠的能量離化氣體；大多數(shù)的濺射系統(tǒng)工作在最小點(diǎn)的靠左邊處2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系17帕邢定律(Paschen’sLaw)工程應(yīng)用Tips：若系統(tǒng)難以起輝，尤其是射頻濺射時(shí)，可采用的增加壓強(qiáng)的方法使之起輝（增加Ar氣流量，或主閥節(jié)流）若不希望兩電極間起輝放電，可減小兩電極間的距離d（靶屏蔽罩的設(shè)計(jì)就是利用這一原理）2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系18氣體放電類型湯森放電：氣體擊穿的初期，放電電壓比較高，且隨輸入功率的增加變化很??；放電電流隨輸入功率的增加而增加，但比較?。徽］x光放電：當(dāng)放電達(dá)到一定值以后，足夠多的電子和離子使得放電可以自持，氣體放電轉(zhuǎn)化為正常輝光放電，此時(shí)的氣體電導(dǎo)率比較大，極板間電壓下降；2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系19氣體放電類型異常輝光放電：當(dāng)電離度達(dá)到比較高以后，電流隨功率增加變緩，但電壓迅速增加；濺射或等離子刻蝕位于此區(qū)域；弧光放電：進(jìn)一步增加功率導(dǎo)致電弧出現(xiàn)，從而放電轉(zhuǎn)化為弧光放電，氣體電導(dǎo)率再次增加，極板間電壓再次下降；2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系20直流放電Aston暗區(qū)：低能電子和高能離子；電子能量很低，不但不足以使氣體分子電離，連使氣體分子激發(fā)的能力也沒(méi)有，故沒(méi)有光，呈暗區(qū)；陰極輝光區(qū)：電子已經(jīng)獲得了足夠的能量激發(fā)氣體分子，高能態(tài)去激則發(fā)光，故呈高亮態(tài)，包圍在整個(gè)陰極周圍；陰極暗區(qū)：電子和離子的加速區(qū)；抵達(dá)本區(qū)域的電子，能量較高，有利于電離而不利于激發(fā)，因此發(fā)光微弱；負(fù)輝光區(qū)：二次電子與中性粒子相互作用；電子能量較為分散，既富于低能量的電子也富于高能量的電子。法拉第暗區(qū)：電子能量很低，不發(fā)生激發(fā)或電離，因此是暗區(qū)；正柱區(qū)：正輝光區(qū)，非必要區(qū)；陽(yáng)極暗區(qū)：非典型區(qū)；2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系21產(chǎn)生等離子體的其他方式交流放電：低頻放電、中頻放電、射頻放電；脈沖放電：恒流、恒壓；微波放電：微波及電子回旋共振(ECR)；射頻感應(yīng)耦合等離子體；介質(zhì)阻擋放電等離子體；大氣壓放電等離子體；…2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系22等離子體物理學(xué)的基本概念電子濃度（ne）、離子濃度（ni）、中性粒子濃度（no）概念1：電中性，ne=ni概念2：弱離化，fi=ne/(ne+no),典型值為10-4概念3：德拜長(zhǎng)度（Debye

Length），也叫德拜半徑,是描述等離子體中電荷的作用尺度的典型長(zhǎng)度，是等離子體的重要參量，常用λD表示。德拜長(zhǎng)度首先是由荷蘭物理學(xué)家彼得·德拜提出的，反映了等離子體中一個(gè)重要的特性——電荷屏蔽效應(yīng)。當(dāng)所討論的尺度大于德拜長(zhǎng)度時(shí)，可以將等離子體看作是整體電中性的，反之，則是帶有電荷的。換言之，德拜半徑就是電荷能夠起作用的最遠(yuǎn)的距離。通常所說(shuō)的“德拜球”就是以德拜長(zhǎng)度為半徑的球體，它表示了一個(gè)球體范圍，在該球體范圍以外電荷都是被屏蔽的。2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系23等離子體物理學(xué)的基本概念概念4：等離子體頻率，在等離子體中，當(dāng)正負(fù)電荷分離時(shí)，離子由于質(zhì)量大，可視為固定不動(dòng)，而電子會(huì)在靜電力的作用下產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振蕩，稱為等離子體振蕩。在冷等離子體（即忽略電子熱運(yùn)動(dòng)影響）中，振蕩頻率ωe為：等離子體頻率用來(lái)表征等離子體中的電子對(duì)電場(chǎng)擾動(dòng)的響應(yīng)的快慢。德拜長(zhǎng)度與等離子體頻率的乘積為電子運(yùn)動(dòng)速度；概念5：等離子體溫度，電子的平均能量2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系24等離子體物理學(xué)的基本概念等離子體的判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)離化氣體滿足以下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，該離化氣體可被判斷為等離子體：標(biāo)準(zhǔn)1：系統(tǒng)尺寸遠(yuǎn)大于德拜長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)2：德拜球內(nèi)的電子需足夠多，一般為4×104標(biāo)準(zhǔn)3：電子之間的相互作用遠(yuǎn)強(qiáng)于電子與中性粒子的相互作用（等離子中的粒子運(yùn)動(dòng)是被電磁場(chǎng)，而非氣體流動(dòng)力學(xué)所控制）2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系25等離子體鞘層由于電子和離子的質(zhì)量、速度的差異使得浸沒(méi)在等離子體的中的懸浮電極相對(duì)于等離子體而言處于負(fù)電位，因此陰極和陽(yáng)極表面的懸浮電位低于等離子體電位，從而在陰極和陽(yáng)極表面形成鞘層；2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系26等離子體化學(xué)若氣體非惰性，則如何？2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系27等離子體化學(xué)2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系28濺射的物理機(jī)制2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系29濺射的物理機(jī)制Momentum

Transfer與hot-spot之爭(zhēng)1852年，Grove首次發(fā)現(xiàn)濺射現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)提出Momentum

transfer理論解釋之；后來(lái)，Momentum

transfer理論逐漸被hot-spot理論所排擠；最近的研究表明，濺射的許多現(xiàn)象只能被Momentum

transfer理論所解釋；但截至目前為止，人們并未完全了解濺射現(xiàn)象，如靶的表面改性等2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系30濺射的物理機(jī)理證明濺射是Momentumtransfer的依據(jù)：濺射產(chǎn)額（濺射出的原子數(shù)量/入射離子數(shù)量）不但取決于入射離子的能量，也取決于入射離子的質(zhì)量；濺射產(chǎn)額對(duì)入射離子的入射角敏感；閾值能量的存在，當(dāng)入射離子的能量低于這一閾值能量時(shí)，無(wú)論如何增大入射離子的流量都不能產(chǎn)生濺射；濺射出原子的能量遠(yuǎn)大于蒸發(fā)原子的能量；多晶材料不同取向的平面有不同的濺射產(chǎn)額；合金靶濺射出來(lái)的薄膜組分取決于合金各組分的濺射產(chǎn)額，而非個(gè)組分的熱蒸氣壓；濺射產(chǎn)額對(duì)靶面溫度不敏感；2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系31濺射與濺射產(chǎn)額碰撞的動(dòng)量轉(zhuǎn)移：當(dāng)載能離子與固體表面相互作用的過(guò)程中，將發(fā)生載能離子的能量和動(dòng)量向固體表面原子轉(zhuǎn)移；表面原子的濺射：當(dāng)表面原子獲得足夠大的動(dòng)能而脫離基體表面，從而產(chǎn)生表面原子的濺射；濺射產(chǎn)額：S=被濺射出的原子數(shù)量/入射離子數(shù)量2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系32濺射的碰撞機(jī)制單原子碰撞機(jī)制(SingleKnock-on)：當(dāng)入射離子的能量比較低(<1keV)時(shí)，表面原子的濺射以單原子碰撞機(jī)制為主；線性級(jí)聯(lián)碰撞機(jī)制：當(dāng)入射離子的能量相對(duì)較高時(shí)(1keV～幾十keV)時(shí)，表面原子的濺射以線性級(jí)聯(lián)碰撞機(jī)制為主；熱峰機(jī)制(spike)：高能離子與物質(zhì)相互作用機(jī)制；2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系33動(dòng)量轉(zhuǎn)移機(jī)理2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系34濺射特性表征濺射特性的參量主要有：濺射閾值濺射率濺射粒子的速度和能量1.濺射閾值

濺射閾值是指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。實(shí)驗(yàn)表明，不同的入射離子，它們的濺射閾值變化很小；而對(duì)于不同靶材，濺射閾值的變化比較明顯。即濺射閾值與離子質(zhì)量之間無(wú)明顯的依賴關(guān)系，而主要取決于靶材料。對(duì)處于周期表中同一周期的元素(靶材料)，濺射閾值隨著原子序數(shù)增加而減小。對(duì)絕大多數(shù)金屬來(lái)說(shuō)，濺射閾值為10-30eV,相當(dāng)于升華熱的4倍左右。（如表3-1）表3-1一些金屬元素的閾值能量(eV)2．濺射率及影響濺射率的因素濺射率是描述濺射特性的一個(gè)最重要物理參量。它表示正離子轟擊靶陰極時(shí)，平均每個(gè)正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。又稱濺射產(chǎn)額或?yàn)R射系數(shù)，常用S表示。濺射率與入射離子的種類、能量、入射角度及靶材的類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關(guān)，單晶靶材還與表面取向有關(guān)。(1)影響濺射率的因素—靶材料

濺射率與靶材料種類的關(guān)系可用靶材料元素在周期表中的位置來(lái)說(shuō)明。在相同條件下，用同一種離子對(duì)不同元素的靶材料轟擊，得到不相同的濺射率，并且還發(fā)現(xiàn)濺射率呈周期性變化，其一般規(guī)律是：濺射率隨靶材元素原子序數(shù)增加而增大。圖3-4濺射率與靶材元素原子序數(shù)的關(guān)系由圖3-4可以看出：1）銅、銀、金的濺射率較大；碳、硅、鈦、釩、鋯、鈮、鉭、鎢等元素的濺射率較小；2）在用400eV的Xe+

離子轟擊時(shí)，銀的濺射率為最大，碳為最小。3）具有六方晶格結(jié)構(gòu)(如鎂、鋅、鈦等)的金屬要比面心立方(如鎳、鉑、銅、銀、金、鋁等)的金屬的濺射率低；4）表面污染(如氧化層)的金屬比清潔表面的金屬的濺射率低；5）升華熱大的金屬要比升華熱小的濺射率低。表3-2各種靶材元素的濺射率各種材料的濺射產(chǎn)額2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系43（2）影響濺射率的因素—入射離子能量入射離子能量大小對(duì)濺射率影響顯著。當(dāng)入射離子能量高于某一個(gè)臨界值(濺射閾值)時(shí)，才發(fā)生濺射。圖3-5為濺射率S與入射離子能量E之間的典型關(guān)系曲線。曲線可分為三個(gè)區(qū)域：S正比于E2:ET<E<500eV(ET為濺射閾值)S正比于E

:500eV

<E<1000eVS正比于E1/2:1000eV

<E<5000eV圖3-5濺射率S與入射離子能量E之間的典型關(guān)系曲線濺射率S最初隨轟擊離子能量的增加而指數(shù)上升；其后出現(xiàn)一個(gè)線性增大區(qū)，并逐漸達(dá)到一個(gè)平坦的最大值并呈飽和狀態(tài)；如果再增加E則因產(chǎn)生離子注入效應(yīng)而使S值開(kāi)始下降。入射離子對(duì)濺射產(chǎn)額的影響入射離子能量對(duì)濺射產(chǎn)額的影響：當(dāng)入射離子能量在幾十keV時(shí)，濺射產(chǎn)額最大;2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系46圖3-6用Ar離子轟擊銅時(shí)，

離子能量E與濺射率S的典型關(guān)系曲線可分成三部分：Ⅰ.沒(méi)有或幾乎沒(méi)有濺射的低能區(qū)域；Ⅱ.E=70～10000eV，這是濺射率隨離子能量增大而增大的區(qū)域，用于濺射淀積薄膜；Ⅲ.E＞30keV，濺射率隨離子能量的增加而下降。

圖3-6中能量范圍擴(kuò)大到100keV，這一曲線可分成三部分：第一部分是沒(méi)有或幾乎沒(méi)有濺射的低能區(qū)域；第二部分的能量從70eV增至10keV，這是濺射率隨離子能量增大而增大的區(qū)域，用于濺射淀積薄膜的能量值大部分在這一范圍內(nèi)；第三部分是30keV以上，這時(shí)濺射率隨離子能量的增加而下降。如前所述，這種下降據(jù)認(rèn)為是由于轟擊離子此時(shí)深入到晶格內(nèi)部，將大部分能量損失在靶材體內(nèi)，而不是消耗在靶表面的緣故。轟擊離子愈重，出現(xiàn)這種下降時(shí)的能量值就愈高。(3)影響濺射率的因素—入射離子種類濺射率與入射離子種類的關(guān)系：1)依賴于入射離子的原子量，入射離子的原子量越大，則濺射率越高；2)與入射離子的原子序數(shù)有關(guān)，呈現(xiàn)出隨離子的原子序數(shù)周期性變化的關(guān)系。這和濺射率與靶材料的原子序之間存在的關(guān)系相類似。3)在周期表每一橫排中，凡電子殼層填滿的元素作為入射離子時(shí)，就有最大的濺射率。因此，惰性氣體的濺射率最高。一般情況下，入射離子多采用惰性氣體，同時(shí)還能避免與靶材料起化學(xué)反應(yīng)。通常選用氬為工作氣體。圖3-7濺射率與入射離子的原子序數(shù)的關(guān)系(4)影響濺射率的因素—入射離子的入射角入射角是指離子入射方向與被濺射靶材表面法線之間的夾角。圖3-8為Ar+的入射角與幾種金屬的濺射率的關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)曲線可見(jiàn)：1)隨著入射角的增加濺射率逐漸增大，在0-600之間的相對(duì)濺射率基本上服從1/cosθ規(guī)律,既S(θ)/S(0)=1/cosθ,S(θ)和S(0)分別為θ角和垂直入射時(shí)的濺射率。

Ar+的入射角與幾種金屬的濺射率的關(guān)系2)600時(shí)的值為垂直入射(θ=0)時(shí)的2倍左右。3)當(dāng)入射角為600-800時(shí)，濺射率最大。4)入射角再增加時(shí)，濺射率急劇減小，當(dāng)?shù)扔?00時(shí)，濺射率為零。圖3-8Ar+的入射角與幾種金屬的濺射率的關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)論(1/3)1、濺射率與離子入射角的典型關(guān)系曲線如圖3-9所示。表明：1)對(duì)于不同的靶材和入射離子而言，對(duì)應(yīng)的最大濺射率S值，有一個(gè)最佳的入射角θm。2)不同的離子加速電壓，對(duì)入射角θm值也存在一定影響。圖3-9濺射率與離子入射角的典型關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)論(2/3)2、另外，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同入射角θ的濺射率值S(θ)，和垂直入射時(shí)的濺射率值S(0)，對(duì)于不同靶材和入射離子的種類，有以下結(jié)果：1)對(duì)于輕元素靶材,S(θ)/S(0)比值變化顯著；2)重離子入射時(shí),S(θ)/S(0)的比值變化顯著；3)隨著入射離子能量的增加，S(θ)/S(0)呈最大值的角度逐漸增大；4)S(θ)/S(0)的最大值，在入射離子的加速電壓超過(guò)2kV時(shí)，急劇減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)論(3/3)3、一般說(shuō)來(lái),入射角度與濺射率的關(guān)系：

對(duì)金、銀、銅、鉑等影響較??；對(duì)鋁、鐵、鈦、鉭等影響較大；對(duì)鎳、鎢等的影響為中等。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的幾種解釋

對(duì)于上述濺射率隨離子入射角的變化，可從以下兩方面進(jìn)行解釋：1）入射離子所具有的能量轟擊靶材，將引起靶材表面原子的級(jí)聯(lián)碰撞，導(dǎo)致某些原子被濺射。該級(jí)聯(lián)碰撞的擴(kuò)展范圍不僅與入射離子能量有關(guān)，還與離子的入射角有關(guān)。顯然，在大入射角情況下，級(jí)聯(lián)碰撞主要集中在很淺的表面層，妨礙了級(jí)聯(lián)碰撞范圍的擴(kuò)展。結(jié)果低能量的反沖原子的生成率很低，致使濺射率急劇下降。2）入射離子以彈性反射方式從靶面反射。離子的反射方向與入射角有關(guān)。因此，反射離子對(duì)隨后入射離子的屏蔽阻擋作用與入射角有關(guān)。在入射角為600-800時(shí)，其阻擋作用最小而轟擊效果最好，故此時(shí)濺射率S呈最大值。(5)影響濺射率的因素—靶材溫度濺射率與靶材溫度的依賴關(guān)系，主要與靶材物質(zhì)的升華能相關(guān)的某溫度值有關(guān)：在低于此溫度時(shí)，濺射率幾乎不變；超過(guò)此溫度時(shí)，濺射率將急劇增加。因此，在濺射時(shí)，應(yīng)注意控制靶材溫度，防止出現(xiàn)濺射率急劇增加現(xiàn)象的產(chǎn)生。（以保證濺射率不突變）濺射率與靶材溫度的關(guān)系圖3-10是用45keV的氙離子(Xe4)對(duì)幾種靶材進(jìn)行轟擊時(shí)，所得濺射率與靶材溫度的關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn)，在濺射時(shí)，應(yīng)注意控制靶材溫度，防止出現(xiàn)濺射率急劇增加現(xiàn)象的產(chǎn)生。圖3-10濺射率與靶材溫度的關(guān)系(用45keV的Xe4對(duì)靶進(jìn)行轟擊時(shí))

濺射率除與上述五種因素有關(guān)外，還與靶的結(jié)構(gòu)和靶材的結(jié)晶取向、表面形貌、濺射壓強(qiáng)等因素有關(guān)。綜上所述，為了保證濺射薄膜的質(zhì)量和提高薄膜的淀積速度，應(yīng)當(dāng)盡量降低工作氣體的壓力和提高濺射率。3.濺射原子的能量和速度濺射原子的能量和速度也是描述濺射特性的重要物理參量。一般由蒸發(fā)源蒸發(fā)出來(lái)的原子的能量為0.1eV左右。而在濺射中，由于濺射原子是與高能量入射離子交換動(dòng)量而飛濺出來(lái)的，所以，濺射原子具有較大的能量。如以1000eV加速的Ar+離子濺射鋁等輕金屬元素時(shí),逸出原子的能量約為10eV,而濺射鎢、鉬、鉑時(shí),逸出原子的能量約為35eV。一般認(rèn)為，濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子能量大1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，約為5-10eV。

濺射原子的能量與靶材料、入射離子的種類和能量以及濺射原子的方向性等都有關(guān)。圖3-11是不同能量的Hg+轟擊Ag靶時(shí)濺射原子的能量分布情況。其能量的分布近似麥克斯違爾分布，大部分濺射原子的能量小于10eV，高能量部分有一拖長(zhǎng)的尾巴，平均能量為10-40eV。轟擊離子的能量增加，高能量尾巴也拖得更長(zhǎng)。當(dāng)入射離子能量大于1000eV時(shí)，所逸出原子的平均能量不再增大。實(shí)驗(yàn)一：不同能量的Hg+轟擊Ag靶時(shí)

濺射原子的能量分布（圖3-11）實(shí)驗(yàn)二：1200eVKr+

轟擊不同靶材時(shí)

逸出原子的能量分布

（圖3-12）

圖3-12是用能量為1200eV的Kr+離子轟擊不同元素靶材時(shí)，得到的逸出濺射原子的能量分布曲線。Rh、Pd、Ag在元素周期表中是相鄰元素，原子量大體相等，但能量分布曲線卻有較大差異。實(shí)驗(yàn)三：不同入射離子轟擊不同靶材時(shí)

逸出原子的能量分布

（圖3-13）

圖3-13是不同入射離子轟擊不同靶材時(shí)，逸出原子的能量分布曲線。可見(jiàn)它們具有相近似的能量分布規(guī)律，但能量值的分布范圍不相同。實(shí)驗(yàn)四：1200eVKr+

轟擊不同靶材時(shí)

濺射原子的平均逸出能量

由圖3-14可見(jiàn)，用同一離子轟擊不同材料靶，當(dāng)原子序數(shù)Z＞20時(shí)，各元素的濺射原子的平均逸出能量的差別增大。（圖3-14）實(shí)驗(yàn)五：1200eVKr+

轟擊不同靶材時(shí)

濺射原子的平均逸出速度

由圖3-15可見(jiàn)，用同一離子轟擊不同材料靶，當(dāng)靶材原子序數(shù)Z＞20時(shí)，各元素的濺射原子的平均逸出速度的差別較小。（圖3-15）實(shí)驗(yàn)六：用Hg+垂直轟擊Cu多晶靶時(shí)，與表面法

線成不同角度方向?yàn)R射原子的能量分布

由圖3-16可見(jiàn)，不同方向逸出原子的能量分布也是不相同的。（圖3-16）濺射原子的能量和速度特點(diǎn)(1/3)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果:(1)重元素靶材被濺射出來(lái)的原子有較高的逸出能量，而輕元素靶材則有高的原子逸出速度；(2)不同靶材料具有不相同的原子逸出能量，而濺射率高的靶材料，通常有較低的平均原子逸出能量；濺射原子的能量和速度特點(diǎn)(2/3)：(3)在相同轟擊能量下，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量的增加而線性增加，輕入射離子濺射出的原子的逸出能量較低，約為10eV，而重入射離子濺射出的原子的逸出能量較大，平均達(dá)到30-40eV，與濺射率的情形相類似；濺射原子的能量和速度特點(diǎn)(3/3)：(4)濺射原子的平均逸出能量，隨入射離子能量增加而增大，當(dāng)入射離子能量達(dá)到1keV以上時(shí)，平均逸出能量逐漸趨于恒定值；(5)在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量；(6)靶材的結(jié)晶取向和晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)濺射原子的逸出能量影響不大。4．濺射原子的角度分布（1/4）研究濺射原子的分布，有助于了解濺射機(jī)理和建立濺射理論，在實(shí)際應(yīng)用上也有助于控制膜厚的分布。早期的濺射理論認(rèn)為濺射的發(fā)生是由于高能量的轟擊離子產(chǎn)生了局部高溫區(qū)，從而導(dǎo)致靶材料的蒸發(fā)，因此，逸出原子呈現(xiàn)余弦分布規(guī)律。這種理論稱為濺射的熱峰蒸發(fā)理論。

4．濺射原子的角度分布（2/4）進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在用低能離子轟擊時(shí)，逸出原子的分布并不遵從余弦分布規(guī)律,垂直于靶表面方向逸出的原子數(shù)，明顯地少于按余弦分布時(shí)應(yīng)有的逸出原子數(shù)。靶材料不同，角分布與余弦分布的偏差也不相同。且，改變轟擊離子的入射角時(shí)，逸出原子數(shù)在入射的正反射方向顯著增加，與余弦分布的偏差明顯增大。4．濺射原子的角度分布（3/4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，濺射原子的逸出主要方向與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。這也直接影響到濺射率。對(duì)于單晶靶材料，通常，最主要的逸出方向是原子排列最緊密的方向，其次是次緊密的方向。

4．濺射原子的角度分布（4/4）半導(dǎo)體單晶材料逸出原子的角分布與金屬類似，也存在與結(jié)晶構(gòu)造有關(guān)的主要逸出方向，即具有各向異性的特點(diǎn)，但不如金屬那樣明顯。多晶靶材與單晶靶材濺射原子的角分布有明顯的不同：對(duì)于單晶靶可觀察到濺射原子明顯的擇優(yōu)取向，而多晶固體差不多顯示一種余弦分布。合金靶濺射2023/7/20薄膜電子學(xué)·信息與電子工程學(xué)系77合金靶濺射